Obwohl verschiedenste Versuche unternommen wurden ein Getriebe zu entwerfen, das die Gänge automatisch auswählt, entwickelten Ingenieure von General Motors (GM) erst im Jahr 1939 eine zufriedenstellende Lösung: Das Bauteil hieß Hydra-Matic und war das erste serienreife vollautomatische Pkw-Getriebe, mit dem etwa 25.000 Oldsmobile-Modelle ausgestattet und verkauft wurden.
Ungefähr 25 Jahre später (1963) wurde Earl A. Thompson, der Leiter der Gruppe von GM-Ingenieuren, welche das Hydra-Matic entwickelten, mit dem Elmer A. Sperry Award geehrt – in Anerkennung „einer ausgezeichneter Ingenieursleistung, die sich in der Anwendung bewiesen und das Transportwesen weiterentwickelt hat, ob an Land, zu Wasser oder in der Luft.“
In den nächsten 75 Jahren wurde die Getriebeautomatik um weitere fünf (oder gar sechs) Gänge erweitert, elektronisch gesteuert und verkleinert. Aber auch nach all den Jahren beruht die Funktionsweise des Automatikgetriebes nach wie vor auf Druck in hydraulischen Leitungen.
Hydraulischer Druck steuert das Verhalten des Automatikgetriebes
Das Schiebergehäuse (Ventilgehäuse) ist die Schaltzentrale des Automatikgetriebes. Es enthält ein Labyrinth von Kanälen und Durchgängen, durch welche die Hydraulikflüssigkeit zu den zahlreichen Ventilen geleitet wird, welche dann die entsprechenden Lamellenkupplungen oder Bremsband-Servos betätigen, um für jede Fahrsituation weich in den geeigneten Gang zu schalten.
Jedes der vielen Ventile im Schiebergehäuse hat eine bestimmte Aufgabe und ist entsprechend seiner Funktion benannt. Zum Beispiel bewirkt das 2-3 Schaltventil das Hochschalten vom 2. Gang in den 3. Gang; das 3-2 Schaltpunkt-Ventil hingegen bestimmt, wann ein Herunterschalten durchgeführt werden soll.
Das wichtigste Ventil ist das manuell gesteuerte Ventil, das direkt mit dem Schalthebel verbunden ist und verschiedene Durchgänge öffnet und abdeckt, je nachdem, welche in welche Position der Schalthebel gelegt wird. In der Position D: Drive leitet das manuelle Ventil beispielsweise Flüssigkeit zu den Kupplungsscheiben, die den 1. Gang aktivieren. Zu seinen Aufgaben gehört ebenfalls, die Geschwindigkeit und die Drosselklappenstellung zu überwachen, um den optimalen Zeitpunkt zu bestimmen und (abhängig von Last und Geschwindigkeit) für das Umschalten vom 1. in den 2. Gang zu forcieren.
Bei computergesteuerten Getrieben wird das Schiebergehäuse mit elektrischen Magnetventilen ausgestattet, die computergesteuert Flüssigkeit zu den entsprechenden Lamellenkupplungen oder Bremsbändern leiten, um eine präzisere Steuerung der Schaltpunkte zu ermöglichen.
Der durch die Ölpumpe erzeugte Druck wird an Ventile des Hauptleitungsdruckreglers und des Fliehkraftreglers (Governor) sowie an das Drosseldruckventil gelenkt, um das Getriebe zu steuern und zu schmieren. Einige dieser Komponenten wurden ersetzt oder arbeiten mit der elektronischen Steuerung zusammen.
Der durch den Fliehkraftregler erzeugte Druck steigt mit zunehmender Geschwindigkeit des Fahrzeugs an. Ältere Getriebe hatten mechanische Fliehkraftregler, die aus Federn, Fliehscheiben und einem Steuerventil bestanden, um diesen Druck zu steuern. Der Druck des Fliehkraftreglers bestimmt das Hochschalten des Getriebes, während der Drosseldruck für das Herunterschalten verantwortlich ist. Die heutigen Getriebe verwenden Magnetspulen für die Betätigung des Schaltpunkts.
Der Drosseldruck zeigt die Motorlast an. Einige Getriebe verwenden einen Vakuummodulator oder ein Drosselklappengestänge, um das Drosselklappenventil zu betätigen. Die neuesten Fahrzeugmodelle verwenden elektrische Magnetspulen, um die gleichen Ergebnisse zu erzielen.
Getriebe wechseln Gänge durch das Betätigen der Schaltventile. Das Ventil wird an einem Ende durch den Druck des Fliehkraftreglers betätigt, am anderen Ende – unterstützt durch eine Feder – durch den Drosseldruck. Wenn ein Fahrzeug aus dem Stillstand beschleunigt wird, ist der Drosseldruck höher als der Druck des Fliehkraftreglers, sodass das Auto im ersten Gang bleibt. Mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit steigt der Druck des Fliehkraftreglers (beeinflusst durch die Fahrzeuggeschwindigkeit), bis er den Drosseldruck übersteigt und dadurch ein Hochschalten bewirkt.
Ein Herunterschalten wird ausgelöst, wenn der Drosseldruck den Druck des Fliehkraftreglers übersteigt. Dies liegt an der erhöhten Motorlast. Diese beiden Drücke steuern die Betätigung des Schaltventils. Schaltventile steuern die Aktoren (Kupplungen und Bremsbänder), welche die Zahnräder eines Planetengetriebes (Umlaufrädergetriebes) antreiben und arretieren.
Einen reibungslosen Gangwechsel ohne übermäßiges „Durchrutschen“ zu erreichen ist keine Kleinigkeit: Der Druck, der eine Reihe von Bremsbändern schließt und andere öffnet, muss nicht nur zum richtigen Zeitpunkt, sondern auch so eingesetzt werden, dass das Umschalten ohne spürbare Stöße erfolgt. Gesteuert wird dies alles durch den hydraulischen Leitungsdruck.
Während der Entwicklung eines Automatikgetriebes wird der Leitungsdruck an den verschiedenen Öffnungen in Echtzeit gemessen und mit den Designvorgaben abgeglichen, um die Einhaltung der Designparameter zu bestätigen. Gleichzeitig werden die Schaltpunkte und die Schaltqualität gemessen und subjektiv bewertet, um zu gewährleisten, dass sowohl sicheres Fahrverhalten als auch Leistungsziele erreicht werden. Diese Messungen erfordern extrem präzise und qualitativ hochwertige Drucktransmitter, wie sie von STS produziert werden.
Diese während der Entwicklung aufgezeichneten Messergebnisse sind entscheidend, nicht nur um präzise Schaltvorgänge zu gewährleisten, sondern auch für die Entwicklung der einzigartigen Spezifikationen des jeweiligen Getriebes. Diese werden in Werkstätten im Rahmen der Fehlerdiagnose verwendet.
Mit der Zeit Schritt halten
Aufgrund des großen Einflusses von Emissionsvorschriften auf die Entwicklung moderner Fahrzeuge sind Hersteller stetig gehalten, das Design zu überdenken: Ziel ist es, die Effizienz zu steigern, ohne dabei Leistungseinbußen hinnehmen zu müssen.
Der koreanische Autohersteller KIA hat im Zuge eines Entwicklungsprogramms bei der Konzeption des kompakten 8-Gang-Automatikgetriebes (8AT) 143 neue Technologien patentieren lassen. Dieses neue Getriebe ermöglicht eine sanfte Beschleunigung aus dem Stand, eine höhere Kraftstoffeffizienz, verbesserte NVH-Eigenschaften (Noise Vibration Harshness / hör- und spürbarer Schwingungen) und bei höheren Drehzahlen eine stärkere Beschleunigung als ein Automatikgetriebe mit weniger Gängen.
Um den Kraftstoffverbrauch des 8AT zu verbessern, haben KIA-Ingenieure die Größe der Ölpumpe (die Hauptquelle für die Leistungsverluste in einem Automatikgetriebe) deutlich reduziert und die Struktur des Ventilgehäuses vereinfacht. Mithilfe der kleinsten Ölpumpe, die bei der Getriebefertigung in dieser Klasse eingebaut wird, kann das 8AT Hydrauliköl effizienter nutzen, da es stets gleichmäßig über die Einheit verteilt wird.
KIAs Entwicklungsteams bauten außerdem ein direkt ansteuerbares Ventilgehäuse ein: Dadurch wird eine direkte Betätigung des Magnetventils der Kupplung ermöglicht, was bisher durch mehrere Regelventile geschah. Dadurch konnte die Anzahl der Regelventile von 20 auf 12 verringert werden, was nicht nur schnellere Gangwechsel erlaubt und eine direktere mechanische Verbindungzum Motor herstellt, sondern auch der kompakteren Bauform zugutekommt.
Die Herausforderung dieses revolutionären Ansatzes bestand darin sicherzustellen, dass die kleinere Pumpe in der Lage ist, die verschiedenen Bauteile – die für den Betrieb des Automatikgetriebes erforderlich sind – mit Druck von bis zu 20 bar mit einer ausreichenden Menge von Hydraulikflüssigkeit zu versorgen.
Während der Entwicklungstests wurde die Einheit auf Betriebstemperatur gebracht und dann der Hauptleitungsdruck sowohl im Leerlauf als auch bei weit geöffneter Drosselklappe gemessen, um sicherzustellen, dass die kleinere Pumpe dieser Aufgabe gewachsen war. Einmal mehr ist anzumerken, dass wegen der entscheidenden Bedeutung der Testergebnisse nur qualitativ hochwertige Drucktransmitter mit Labor-Zertifizierung verwendet wurden.
